CN109630022A - 一种复合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻头技术领域，特别涉及一种复合钻头，包括阀体，其内设置有：第一流道，使压力小于设定值的水流流至钻头处；第二流道，使压力大于设定值的水流通过喷射流道喷出；滑动阀芯，通过往复运动实现第一流道和第二流道的切换；活塞，包括第一受力面，当第一流道导通时，通过所承受的第一水流压力而使得驱动部到达第一位置，第二受力面，当第二流道导通时，通过所承受的第二水流压力使得驱动部到达第二位置；刀臂，在驱动部到达第一位置时收纳至钻头的钻孔范围内，在驱动部到达第二位置时张开至钻头的钻孔范围外进行扩孔，且扩孔所形成的煤渣通过喷射流道喷出的高压水进行冲刷。通过本发明解决了中硬煤层中瓦斯治理慢，效率低的难题。

Description

一种复合钻头

技术领域

本发明涉及钻头技术领域，特别涉及一种复合钻头。

背景技术

在当前瓦斯治理工艺中，以水力冲孔的工艺方法较为理想，通过水射流使高压水冲击煤体，在煤层内形大空洞，增大了瓦斯逸出表面积，且使煤层内形成裂隙，裂隙不断扩张，增强了瓦斯抽放效果，水力冲孔技术在软煤层内能够施工，并且取得了良好的效果。

然而，对于中硬或硬煤层，水射流不能对煤体冲击并破坏煤体结构，无法将钻孔扩大，因此，目前中硬煤层中瓦斯治理依然需要施工密集孔进行瓦斯抽采，钻孔工作量大，需要花费大量的人力、物力、财力。

鉴于上述问题，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种复合钻头，使其更具有实用性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种复合钻头，旨在解决目前中硬煤层中瓦斯治理慢，效率低的难题。

本发明解决技术问题的技术方案如下：

一种复合钻头，包括用于连接钻杆和钻头的阀体，所述阀体内设置有：

第一流道，用于在煤层钻孔时，使压力小于设定值的水流流至钻头处进行排渣与冷却；

第二流道，用于在煤层扩孔时，使压力大于所述设定值的水流通过喷射流道喷出；

滑动阀芯，以所述设定值为切换压力，通过往复运动实现所述第一流道和第二流道的切换；

活塞，包括第一受力面、第二受力面和驱动部；所述第一受力面当第一流道导通时，通过所承受的第一水流压力而使得所述驱动部到达第一位置，所述第二受力面当第二流道导通时，通过所承受的第二水流压力使得所述驱动部到达第二位置；

还包括至少一刀臂，所述刀臂在所述驱动部到达第一位置时收纳至所述钻头的钻孔范围内，且在所述驱动部到达第二位置时张开至所述钻头的钻孔范围外进行扩孔，且扩孔所形成的煤渣通过所述喷射流道喷出的高压水进行冲刷。

优选地，所述滑动阀芯在轴向的一侧设置有承压面，轴向的另一侧与弹簧连接，当水流压力小于所述设定值时，所述弹簧的弹性力使得所述承压面保持在钻孔对应位置，当水流压力大于所述设定值时，所述滑动阀芯通过承压面所感知的压力对所述弹簧进行挤压而移动到达扩孔对应位置。

优选地，所述滑动阀芯与所述弹簧相对的一端设置有内腔体，所述内腔体的径向方向上设置有贯穿且作为所述第一流道一部分的径向小孔，所述径向小孔在来自所述阀体上的进水通道内的水流压力增大的过程中起到节流作用，从而改变所述承压面所受到的压力。

优选地，所述弹簧与所述滑动阀芯之间设置有具有贯通腔体的距离套，所述距离套在所述滑动阀芯靠近所述弹簧的过程中，对所述弹簧进行挤压，直至所述弹簧的弹性力等于所述承压面所承受的压力时停止；所述距离套在所述滑动阀芯远离所述弹簧的过程中，对所述滑动阀芯进行挤压，直至其上的台阶面与所述阀体内的径向限位面贴合时停止。

优选地，所述弹簧远离所述滑动阀芯一端，通过与所述阀体内壁螺纹连接的预紧螺母而限制固定，所述预紧螺母具有贯通腔体。

优选地，所述活塞的周向外侧壁、第二受力面、所述阀体的径向平面和内侧壁之间形成第一腔体，所述第一腔体作为所述第二流道的终点，通过位于所述阀体内的扩孔流道与所述喷射流道联通。

优选地，所述活塞的周向外侧壁、第一受力面、所述阀体的径向平面和内侧壁之间形成第二腔体；

所述第二腔体一方面通过位于所述活塞上的通道，经过所述阀体内腔，与所述第一腔体联通，另一方面通过位于所述阀体内的钻孔流道与所述钻头联通。

优选地，所述驱动部为齿条结构，所述刀臂容置在位于所述阀体上的孔位内，其中，所述刀臂的一端与所述孔位内壁转动连接，且围绕转动点设置有至少部分齿轮面，所述齿轮面与所述齿条结构啮合，从而在所述齿条结构在第一位置和第二位置间切换的过程中，使得所述刀臂转动伸出或回缩至所述孔位内。

优选地，所述刀臂关于所述阀体的轴线对称设置有两个。

优选地，所述刀臂在切削过程中与待切削煤层迎合的切削面上设置有若干金刚石复合片，所述刀臂与完成扩孔的孔壁相对的面上设置有若干合金条。

本发明所提供的复合钻头，通过水压的变化使刀臂张开或收回，实现了刀臂自动开合的效果，在瓦斯治理钻孔施工时，无需停机更换扩孔钻头，节省大量的人力与时间；同时由于刀臂可自动开合，高压射流与机械切削同时作用，就可在中硬煤层中任意需要的地方施工大直径孔，解决了中硬煤层中瓦斯治理慢，效率低的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为本发明实施例一中复合钻头在一个角度下的外形结构图；

图2为图1中C-C处的剖视图（刀臂收纳至钻头的钻孔范围内）；

图3为本发明实施例一中复合钻头在另一个角度下的外形结构图；

图4为图3中D-D处的剖视图（刀臂收纳至钻头的钻孔范围内）；

图5为图4中的复合钻头在刀臂张开至钻头的钻孔范围外时的结构示意图；

图6为滑动阀芯的结构示意图；

图7为图5中A处的局部放大图；

图8为图2中B处的局部放大图；

图9为活塞的结构示意图；

图10为阀体07的局部示意图；

图11为刀臂的结构示意图；

图12为图11的俯视图；

附图标记：

01-滑动阀芯、011-承压面、012-内腔体、013-径向小孔、02-活塞、021-第一受力面、022-第二受力面、023-驱动部、03-刀臂、031-金刚石复合片、032-合金条、04-喷射流道、05-距离套、06-弹簧、07-阀体，071-孔位、08-预紧螺母、09-第一腔体、10-第二腔体、11-扩孔流道、12-钻孔流道、13-钻杆连接头、14-喷嘴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1~5所示，一种复合钻头，包括用于连接钻杆和钻头的阀体07，阀体07内设置有：第一流道，用于在煤层钻孔时，使压力小于设定值的水流流至钻头处进行排渣与冷却；第二流道，用于在煤层扩孔时，使压力大于设定值的水流通过喷射流道04喷出；滑动阀芯01，以设定值为切换压力，通过往复运动实现第一流道和第二流道的切换；如图9所示，活塞02，包括第一受力面021、第二受力面022和驱动部023；第一受力面021当第一流道导通时，通过所承受的第一水流压力而使得驱动部023到达第一位置，第二受力面022当第二流道导通时，通过所承受的第二水流压力使得驱动部023到达第二位置；还包括至少一刀臂03，刀臂03在驱动部023到达第一位置时收纳至钻头的钻孔范围内，且在驱动部023到达第二位置时张开至钻头的钻孔范围外进行扩孔，且扩孔所形成的煤渣通过喷射流道04喷出的高压水进行冲刷。

在本实施例中，通过水压的变化使刀臂03张开或收回，实现了刀臂03自动开合的效果，在瓦斯治理钻孔施工时，无需停机更换扩孔钻头，节省大量的人力与时间；同时由于刀臂03可自动开合，高压射流与机械切削同时作用，就可在中硬煤层中任意需要的地方施工大直径孔，有效解决了中硬煤层中瓦斯治理慢，效率低的难题。

实施例二

本实施例中与实施例一的区别点在于：第一流道和第二流道的具体结构形式。

具体地，如图6所示，滑动阀芯01在轴向的一侧设置有承压面011，轴向的另一侧与弹簧06连接，当水流压力小于设定值时，弹簧06的弹性力使得承压面011保持在钻孔对应位置，当水流压力大于设定值时，滑动阀芯01通过承压面011所感知的压力对弹簧06进行挤压而移动到达钻孔对应位置。为了保证承压面011的运动效率，将滑动阀芯01周向与阀体07内壁密封贴合，在具体实施时，可通过设置环状的O型密封圈来实现，其中，本实施例中所指的钻孔对应位置和钻孔对应位置实际即为第一流道和第二流道的联通位置。

在本实施例中，第一流道的组成如下，

1．阀体07上的进水通道——径向小孔013——内腔体012：

如图6所示，滑动阀芯01与弹簧06相对的一端设置有内腔体012，内腔体012的径向方向上设置有贯穿且作为第一流道一部分的径向小孔013，径向小孔013在来自阀体07上的进水通道内的水流压力增大的过程中起到节流作用，从而改变承压面011所受到的压力；

2．距离套05的贯通腔体——弹簧06内腔：

如图7 所示，弹簧06与滑动阀芯01之间设置有具有贯通腔体的距离套05，距离套05在滑动阀芯01靠近弹簧06的过程中，对弹簧06进行挤压，直至弹簧06的弹性力等于承压面011所承受的压力时停止；距离套05在滑动阀芯01远离弹簧06的过程中，对滑动阀芯01进行挤压，直至其上的台阶面与阀体07内的径向限位面贴合时停止；距离套05的设置，使得整个滑动阀芯01的运动定位更加精确，在滑动阀芯01和弹簧06之间起到衔接的作用，从而更好的实现二者的相互作用；

3．预紧螺母08的贯通腔体：

同样如图7所示，弹簧06远离滑动阀芯01一端，通过与阀体07内壁螺纹连接的预紧螺母08而限制固定，预紧螺母08具有贯通腔体；预紧螺母08实现弹簧06的定位，在安装的过程中简单易行，同时通过旋入深度的限制可实现弹簧06预紧力的调节，从而起到更好的调节作用；

4. 第二腔体10——钻孔流道12：

如图8和10所示，活塞02的周向外侧壁、第一受力面021、阀体07的径向平面和内侧壁之间形成第二腔体10；第二腔体10一方面通过位于活塞02上的通道，经过阀体07内腔，与内腔体012联通，另一方面通过位于阀体07内的钻孔流道12与钻头联通。

在本实施例中，第二流道的组成如下，

1.喷射流道04：

如图2所示，在煤层扩孔时，通过滑动阀芯01的移动，使得压力大于设定值的水流通过喷射流道04喷出,对扩孔所形成的煤渣进行冲刷；

2．阀体07内的扩孔流道11——第一腔体09：

如图8和10所示，活塞02的周向外侧壁、第二受力面022、阀体07的径向平面和内侧壁之间形成第一腔体09，第一腔体09作为第二流道的终点，通过位于阀体07内的扩孔流道11与喷射流道04联通。

本实施例中，复合钻头的具体工作原理如下：

可设置钻杆连接头13将阀体07与钻杆进行连接，具体的，可通过钻杆连接头13端部的外螺纹与阀体07端部的内螺纹旋紧连接，而在钻杆连接头13中心设置中心通孔实现水流的贯通。

在煤层钻孔时，压力小于设定值的水流对承压面011的作用力较小，使得滑动阀芯01无法克服弹簧06的弹性力而移动，水流可以通过阀体07上的进水通道—通过径向小孔013进入滑动阀芯01的内腔体012，其中，本实施例中，进水通道包括轴向孔、径向孔和环槽，环槽保证无论滑动阀芯01转动至任何位置均有水流通过；随后水流再经过距离套05的贯通腔体、弹簧06内腔、预紧螺母08的贯通腔体、第二腔体10和钻孔流道12到达钻头，此种工作状态下，由于第一腔体09内无水流进入，因此活塞02在第二腔体10内液体压力对第一受力面021的作用而保持在如图4和8所示的左侧位置，使得驱动部运动至第一位置。

在提高水压进行扩孔时，由于径向小孔013的节流作用，使得滑动阀芯01两端压力失去平衡，滑动阀芯01图4和图8中所示的方向上向右移动，从而使得径向小孔013与环槽错位而密封，高压水进入喷射流道04喷出，具体的，可在喷射流道04上设置喷嘴14，从而保证喷射效果。而在另一方面，喷射流道04通过阀体07内的扩孔流道11与第一腔体09联通，在第二腔体10无液体进入的情况下，第一腔体09内的液体压力对第二受力面022施力，从而使得驱动部23向如图5中所示的方向上向右移动到达第二位置。

在本实施例中，为了便于各个零部件的安装和加工，可将阀体07分体设计，包括外形结构以及内部的各个限位结构，均可通过零部件的组合形式二获得，只需保证密封同样可实现本发明的目的。

实施例三

本实施例中与实施例一的区别点在于：驱动部023和刀臂03的具体结构形式。

本实施例中，如图5所示，驱动部023为齿条结构，刀臂03容置在位于阀体07上的孔位071内，其中，刀臂03的一端与孔位071内壁转动连接，且围绕转动点设置有至少部分齿轮面，齿轮面与齿条结构啮合，从而在齿条结构在第一位置和第二位置间切换的过程中，使得刀臂03转动伸出或回缩至孔位071内，采用带齿的活塞驱动两个带齿的刀臂旋转，动力简单可靠。

作为本实施例的优选，如图5所示，刀臂03关于阀体07的轴线对称设置有两个，采用双刀臂结构，在钻孔时刀臂采力平衡，能够保证钻孔质量。因为在刀臂03工作的过程中受力较为复杂，因此出于使用寿命和使用安全考虑，如图11和12所示，刀臂03在切削过程中与待切削煤层迎合的切削面上设置有若干金刚石复合片031，从而保证切削强度，刀臂03与完成扩孔的孔壁相对的面上设置有若干合金条032，从而降低磨损，保证使用寿命。具体地，金刚石复合片031和合金条032均可通过烧结的方式固定于刀臂03上。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种复合钻头，其特征在于，包括用于连接钻杆和钻头的阀体（07），所述阀体（07）内设置有：

第一流道，用于在煤层钻孔时，使压力小于设定值的水流流至钻头处进行排渣与冷却；

第二流道，用于在煤层扩孔时，使压力大于所述设定值的水流通过喷射流道（04）喷出；

滑动阀芯（01），以所述设定值为切换压力，通过往复运动实现所述第一流道和第二流道的切换；

活塞（02），包括第一受力面（021）、第二受力面（022）和驱动部（023）；所述第一受力面（021）当第一流道导通时，通过所承受的第一水流压力而使得所述驱动部（023）到达第一位置，所述第二受力面（022）当第二流道导通时，通过所承受的第二水流压力使得所述驱动部（023）到达第二位置；

还包括至少一刀臂（03），所述刀臂（03）在所述驱动部（023）到达第一位置时收纳至所述钻头的钻孔范围内，且在所述驱动部（023）到达第二位置时张开至所述钻头的钻孔范围外进行扩孔，且扩孔所形成的煤渣通过所述喷射流道（04）喷出的高压水进行冲刷。

2.根据权利要求1所述的复合钻头，其特征在于，所述滑动阀芯（01）在轴向的一侧设置有承压面（011），轴向的另一侧与弹簧（06）连接，当水流压力小于所述设定值时，所述弹簧（06）的弹性力使得所述承压面（011）保持在钻孔对应位置，当水流压力大于所述设定值时，所述滑动阀芯（01）通过承压面（011）所感知的压力对所述弹簧（06）进行挤压而移动到达扩孔对应位置。

3.根据权利要求2所述的复合钻头，其特征在于，所述滑动阀芯（01）与所述弹簧（06）相对的一端设置有内腔体（012），所述内腔体（012）的径向方向上设置有贯穿且作为所述第一流道一部分的径向小孔（013），所述径向小孔（013）在来自所述阀体（07）上的进水通道内的水流压力增大的过程中起到节流作用，从而改变所述承压面（011）所受到的压力。

4.根据权利要求3所述的复合钻头，其特征在于，所述弹簧（06）与所述滑动阀芯（01）之间设置有具有贯通腔体的距离套（05），所述距离套（05）在所述滑动阀芯（01）靠近所述弹簧（06）的过程中，对所述弹簧（06）进行挤压，直至所述弹簧（06）的弹性力等于所述承压面（011）所承受的压力时停止；所述距离套（05）在所述滑动阀芯（01）远离所述弹簧（06）的过程中，对所述滑动阀芯（01）进行挤压，直至其上的台阶面与所述阀体（07）内的径向限位面贴合时停止。

5.根据权利要求4所述的复合钻头，其特征在于，所述弹簧（06）远离所述滑动阀芯（01）一端，通过与所述阀体（07）内壁螺纹连接的预紧螺母（08）而限制固定，所述预紧螺母（08）具有贯通腔体。

6.根据权利要求3所述的复合钻头，其特征在于，所述活塞（02）的周向外侧壁、第二受力面（022）、所述阀体（07）的径向平面和内侧壁之间形成第一腔体（09），所述第一腔体（09）作为所述第二流道的终点，通过位于所述阀体（07）内的扩孔流道（11）与所述喷射流道（04）联通。

7.根据权利要求3所述的复合钻头，其特征在于，所述活塞（02）的周向外侧壁、第一受力面（021）、所述阀体（07）的径向平面和内侧壁之间形成第二腔体（10）；

所述第二腔体（10）一方面通过位于所述活塞（02）上的通道，经过所述阀体（07）内腔，与所述内腔体（012）联通，另一方面通过位于所述阀体（07）内的钻孔流道（12）与所述钻头联通。

8.根据权利要求1~7任一项所述的复合钻头，其特征在于，所述驱动部（023）为齿条结构，所述刀臂（03）容置在位于所述阀体（07）上的孔位（071）内，其中，所述刀臂（03）的一端与所述孔位（071）内壁转动连接，且围绕转动点设置有至少部分齿轮面，所述齿轮面与所述齿条结构啮合，从而在所述齿条结构在第一位置和第二位置间切换的过程中，使得所述刀臂（03）转动伸出或回缩至所述孔位（071）内。

9.根据权利要求8所述的复合钻头，其特征在于，所述刀臂（03）关于所述阀体（07）的轴线对称设置有两个。

10.根据权利要求8所述的复合钻头，其特征在于，所述刀臂（03）在切削过程中与待切削煤层迎合的切削面上设置有若干金刚石复合片（031），所述刀臂（03）与完成扩孔的孔壁相对的面上设置有若干合金条（032）。